近距離煤層采空區(qū)下巷道圍巖控制技術研究

張 鵬

（晉能控股裝備制造集團寺河煤礦二號井，山西 晉城 048019）

1 工程概況

寺河煤礦二號井94316綜采工作面位于二水平九四盤區(qū)，主采9#煤層，煤層厚度為0.58～1.50 m，平均厚度1.10 m，平均傾角為3°，煤層總體賦存較穩(wěn)定，基本無夾矸層，但節(jié)理和裂隙比較發(fā)育。煤層頂板情況如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装褰Y構

94316工作面平均埋深400 m，設計傾斜長度為133.5 m（中至中），走向長度為1 540 m。工作面平均采高為1.45 m。工作面東部為九四西盤區(qū)大巷、南為94315工作面(已回采)、西為實體煤、北為實體煤。工作面上部為寺河礦二號井3#煤的2306、2307工作面采空區(qū)及其煤柱，3#煤平均厚度為2.1 m，與9#煤層平均間距為5 m。為保證采空區(qū)下94316工作面的安全生產(chǎn)，需對其回采巷道的合理布置及支護方案進行研究。

2 采空區(qū)下回采巷道合理布置

2.1 理論分析

94316工作面與2306、2307采空區(qū)的位置關系如圖1所示。

圖1 94316工作面巷道布置形式

其軌道巷位于2306采空區(qū)下方，且靠近區(qū)段煤柱，其運輸巷位于2307采空區(qū)下方，在邊界煤柱附近。在上方殘留煤柱的支承壓力作用下，巷道圍巖容易產(chǎn)生應力集中，且巷道與上部煤柱邊緣的水平距離是影響其應力集中程度的主要因素。因此，為使94316工作面的回采巷道避開上方殘留煤柱的高應力區(qū)，其巷道與上方殘留煤柱邊緣的水平距離L應滿足：

式中：b為9#煤與3#煤的平均間距，取5 m；M為9#煤層平均厚度，取1.1 m；α為9#煤層傾角，取3°；θ為上方煤柱支承壓力傳遞角，取40°。

經(jīng)過計算得出，94316工作面回采巷道與上方殘留煤柱邊緣的水平距離應滿足：L≥4.9 m。

2.2 數(shù)值模擬

為確定合理的巷道布置方式，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬分析上部殘留煤柱對底板中支撐壓力的影響規(guī)律。依據(jù)94316工作面的實際賦存條件建立模型，模型尺寸為：長×寬×高=400 m×200 m×100 m，根據(jù)工作面埋深，在模型頂部施加8.5 MPa的垂直應力以模擬覆巖壓力，通過位移邊界條件對模型四周和底部進行約束，為使模擬結果準確度更高，采用fill命令模擬采空區(qū)垮落矸石。計算時，煤巖體的破壞準則統(tǒng)一采用Mohr-Coulomb本構模型，煤巖體的物理力學參數(shù)如表2所示進行賦參。

表2 煤巖體物理力學參數(shù)

2306、2307工作面回采后，其底板垂直應力云圖如圖2所示。由圖2可知，2306工作面及2037工作面回采完畢后，區(qū)段煤柱和邊界煤柱下方底板中有明顯的應力集中，而遠離煤柱下方的底板中，應力逐漸降低。

圖2 采空區(qū)底板垂直應力云圖

將底板中的垂直應力與原巖應力相比，轉化成應力集中系數(shù)并制成等值線圖，如圖3、圖4所示?？梢钥闯?，煤柱下方的應力集中系數(shù)線較密集，采空區(qū)下方較稀疏，應力集中系數(shù)為1.0的等值線是高應力區(qū)和低應力區(qū)的分界線。其中，在2306采空區(qū)下方，距區(qū)段煤柱邊緣水平距離約5.1 m處，底板開始進入低應力區(qū)；在2307采空區(qū)下方，距邊界煤柱水平距離約6.0 m處，底板開始進入低應力區(qū)。數(shù)值模擬得出的距煤柱水平距離與理論計算結果基本相近。

圖3 區(qū)段煤柱底板應力集中系數(shù)等值線

圖4 邊界煤柱底板應力集中系數(shù)等值線

考慮采空區(qū)下方存在動壓影響，對模擬得出的結果乘以1.5倍的安全系數(shù)，則94316軌道巷與上部區(qū)段煤柱邊緣的水平錯距應不小于7.65 m，94316運輸巷與上部邊界煤柱邊緣的水平錯距應不小于9.0 m。在實際應用中，為便于施工及管理，94316軌道巷及運輸巷均按照距上部煤柱邊緣水平距離為9.0 m處布置。

3 采空區(qū)下回采巷道支護方案

3.1 巷道支護對策

根據(jù)采空區(qū)下方底板應力分布規(guī)律及94316工作面實際條件，提出以下幾點支護對策：

（1）及時支護。由于巷道位于采空區(qū)下方，其頂板完整性差且較為破碎，在掘進期間，應降低掘進循環(huán)距離，及時進行主動支護，防止頂板出現(xiàn)進一步的離層。

（2）保證支護結構的有效性。由于9#煤與3#煤的層間距較小，3#煤層開采過后，其底板受采動影響發(fā)生一定程度的破壞，可能導致錨桿無法有效錨固到穩(wěn)定的巖層中。在94316工作面回采巷道中對其頂板情況進行了鉆孔窺視，發(fā)現(xiàn)3#煤開采后的底板破壞深度為1.2～1.8 m，基本貫穿了底板泥巖及中砂巖，但細砂巖層完整性較好，且強度較高，可以作為錨桿支護的錨固層。

（3）非對稱支護。由于煤柱下方的應力呈非均勻分布，巷道承受著非均布載荷，因此，巷道在靠近煤柱側的頂板和巷幫容易產(chǎn)生應力集中，位移量相對較大。為避免巷道出現(xiàn)非對稱變形，需在巷道靠近煤柱側的頂板和巷幫分別采用單體及錨索進行補強支護。

3.2 支護參數(shù)設計

94316軌道巷及運輸巷的斷面均為斜梯形，巷寬4.0 m，巷道中線高度2.8 m，支護形式及參數(shù)一致：頂板錨桿為直徑20 mm，長度2 200 mm的螺紋鋼錨桿，間距為800 mm，排距為1 000 mm，一排布置6根錨桿；頂錨索采用?17.8 mm×3 000 mm的鋼絞線，一排布置兩根，間距為1 600 mm，排距為2 000 mm，頂錨索下方鋪設金屬網(wǎng)并安設W鋼帶，以防止碎矸石掉落傷人，W鋼帶的排距為2 000 mm。另外，在靠近上部煤柱側采用單體支柱補強支護頂板。

兩幫采用與頂板相同規(guī)格的螺紋鋼錨桿，間距為800 mm，排距1 000 mm，最下排錨桿向下傾斜15°施工。同時，在靠近上部煤柱側的巷幫補打兩根?17.8 mm×3 000 mm的錨索，間距排距均為1 000 mm。具體支護設計如圖5所示。

圖5 巷道支護設計

4 現(xiàn)場應用效果分析

為分析94316工作面回采巷道布置方式及支護方案的應用效果，在巷道內布置監(jiān)測站，采用十字布點法監(jiān)測巷道在掘進期間及回采期間的圍巖變形量。監(jiān)測結果表明，在掘進期間，軌道巷的頂?shù)装遄畲笠平繛?03 mm，兩幫最大移近量為81 mm；運輸巷的頂?shù)装遄畲笠平繛?16 mm，兩幫最大移近量為95 mm。在回采期間，軌道巷的頂?shù)装遄畲笠平繛?77 mm，兩幫最大移近量為103 mm；運輸巷的頂?shù)装遄畲笠平繛?25 mm，兩幫最大移近量為158 mm?？梢钥闯觯锏绹鷰r整體的變形量均在可控范圍內，保證了94316工作面的安全高效開采。

5 結論

1）通過理論分析及數(shù)值模擬相結合的方法，確定出了94316工作面回采巷道的合理位置：應布置在9#煤層距上部3#煤層殘留煤柱邊緣水平距離9.0 m處。

2）基于3#煤層采空區(qū)下方底板應力分布規(guī)律及94316工作面實際條件，針對性地提出了采空區(qū)下94316回采巷道的支護對策，并對巷道的支護參數(shù)進行了詳細設計。

3）現(xiàn)場應用結果表明：在回采期間，94316軌道巷頂?shù)装宓淖畲笠平繛?77 mm，兩幫最大移近量為103 mm；運輸巷頂?shù)装宓淖畲笠平繛?25 mm，兩幫最大移近量為158 mm。巷道整體穩(wěn)定性較好，驗證了技術方案的合理性。